華衛(wèi)君

(浙江省工程勘察院，浙江寧波315012)

0 引言

水平荷載作用下樁的受力是一個(gè)復(fù)雜的樁土相互作用過程，當(dāng)前，對(duì)單樁水平承載力的確定方法主要有水平載荷試驗(yàn)和理論計(jì)算分析2類，其中以水平載荷試驗(yàn)最能反映真實(shí)情況。但目前水平靜載荷試驗(yàn)都是在樁頂自由且不施加豎向荷載的條件下進(jìn)行的，現(xiàn)行規(guī)范中的樁基水平靜載荷試驗(yàn)方法亦是如此，這與工程樁的實(shí)際受力情況存在一定的差異。因?yàn)橐话愎こ虡抖家惺茌^大的豎向荷載，而且樁頂還有承臺(tái)基礎(chǔ)的嵌固鉸結(jié)作用。本文將通過一系列不同工況條件下的水平靜載荷試驗(yàn)，來分析樁基水平承載力的變化情況。

1 工程概況

寧波鎮(zhèn)海一石油化工項(xiàng)目位于典型的沿海軟土地區(qū)，系由海涂地回填而成。由靜力觸探成果圖(見圖1)不難看出，除表部素填土性質(zhì)稍好外，在17.2 m深度范圍內(nèi)基本上由灰色流塑狀淤泥質(zhì)土組成，淺部地基土非常軟弱(見表1)，無良好的淺基礎(chǔ)持力層。下部依次為灰綠色中密狀粉砂、綠灰色稍密狀含粘性土粉砂及灰黃綠色可塑狀粉質(zhì)粘土，物理力學(xué)性質(zhì)較好。由于石油化工裝置的特點(diǎn)是高、重、大，對(duì)地基的承載力要求高，對(duì)沉降變形要求嚴(yán)格，顯然天然地基淺基礎(chǔ)無法滿足工程設(shè)計(jì)要求，一般需采用樁基礎(chǔ)來加以解決。而工程場(chǎng)地位于建筑抗震設(shè)防烈度7度區(qū)，且地處東海之濱，對(duì)于高聳的構(gòu)筑物來說，承受的風(fēng)荷載也較大。因此，樁基不僅要承受很大的豎向荷載，還要承受較大的水平荷載。

圖1 地層豎向分布及靜力觸探成果圖

表1 地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表

根據(jù)場(chǎng)地工程地質(zhì)條件及建筑物特點(diǎn)和要求，該工程一般采用鋼筋混凝土預(yù)制方樁基礎(chǔ)，選擇③層中密狀粉砂作為樁端持力層，樁長(zhǎng)為19 m左右。

2 樁基水平靜載荷試驗(yàn)

2．1 試樁類型

本文介紹的試樁均為鋼筋混凝土預(yù)制方樁，分別對(duì)不同樁徑、不同樁長(zhǎng)、樁頂施加不同軸向荷載及多樁承臺(tái)等條件下進(jìn)行了水平靜載荷試驗(yàn)。其中樁頂自由且不施加軸向荷載的試樁共有18根，樁頂施加軸向荷載的試樁共有9根，群樁(3樁承臺(tái))施加軸向荷載的共有2組。

2．2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)儀器

傳統(tǒng)的單樁水平靜載試驗(yàn)，是采用電動(dòng)油壓千斤頂施加水平力，水平力作用線通過試坑底面地面標(biāo)高處。在千斤頂與試樁接觸處安置一球形鉸座，以保證千斤頂作用力能水平通過樁身軸線。樁的水平位移采用大量程百分表測(cè)量，每一根試樁在力作用水平面上和在該平面以上50 cm左右各安裝1只百分表(下表測(cè)量樁身在地面處的水平位移，上表測(cè)量樁頂水平位移，根據(jù)兩表位移差與兩表距離的比值求得地面以上樁身的轉(zhuǎn)角);安裝百分表的基準(zhǔn)梁由基準(zhǔn)樁固定，基準(zhǔn)樁打設(shè)在試樁兩個(gè)側(cè)面靠位移的反方向，與試樁的凈距離不小于4倍試樁直徑，即在試樁影響范圍以外。試驗(yàn)儀器及設(shè)備主要有千斤頂臺(tái)、壓力表(精度為0.4級(jí))、磁性表座、50 mm百分表(精度為0.01 mm)、基準(zhǔn)梁、球形鉸座等(見圖2)。

圖2 傳統(tǒng)的水平靜載荷試驗(yàn)設(shè)備安裝示意圖

對(duì)于樁頂施加豎向荷載的試驗(yàn)裝置，除了上述儀器及設(shè)備外，則在試樁樁頂增加1只油壓千斤頂、滾動(dòng)軸排、樁頂豎向加載反力架等，其中單樁水平靜載荷試驗(yàn)豎向反力由2根對(duì)稱于試樁兩側(cè)布置的錨樁提供(圖3)，群樁水平靜載荷試驗(yàn)豎向反力則由4根對(duì)稱于試樁且呈正方形布置的錨樁提供，YF11為五樁承臺(tái)，作為群樁水平靜載荷試驗(yàn)時(shí)的反力臺(tái)(圖4)。

圖3 樁頂加載水平靜載荷試驗(yàn)設(shè)備安裝示意圖

圖4 群樁豎向加載水平靜載荷試驗(yàn)平面布置圖

2．3 試驗(yàn)加載方法

采用單向多循環(huán)加卸載法。多循環(huán)加卸載試驗(yàn)法按下列規(guī)定進(jìn)行加卸載和位移觀測(cè)。

2．3．1 荷載分級(jí)

取預(yù)估水平極限承載力的1/10～1/15作為每級(jí)荷載的加載增量。

2．3．2 加載程序與位移觀測(cè)

每級(jí)荷載施加后，恒載4 min后測(cè)讀水平位移，然后卸載至零，停2 min測(cè)讀殘余水平位移，至此完成一個(gè)加卸載循環(huán)，如此循環(huán)5次便完成一級(jí)荷載的試驗(yàn)觀測(cè)。加載時(shí)間應(yīng)盡量縮短，測(cè)量位移的間隔時(shí)間應(yīng)嚴(yán)格準(zhǔn)確，試驗(yàn)不得中途停頓。

2．3．3 終止試驗(yàn)的條件

當(dāng)樁身出現(xiàn)明顯的裂縫或折斷，或水平位移超過30～40 mm，或可以較容易確定水平極限承載力時(shí)，可終止試驗(yàn)。

2．4 樁基水平承載力的確定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果記錄，進(jìn)行分析整理，分別繪制水平力－時(shí)間－作用點(diǎn)位移(H－t－Y0)關(guān)系曲線和水平力－位移梯度(H－△Y0/△H)關(guān)系曲線。

2．4．1 水平臨界荷載Hcr的確定

取單向多循環(huán)加載法時(shí)的H－t－Y0關(guān)系曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)的前一級(jí)水平荷載值;

取H－△Y0/△H關(guān)系曲線上第一拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水平荷載值。

2．4．2 水平極限荷載Hu的確定

取單向多循環(huán)加載法時(shí)的H－t－Y0關(guān)系曲線產(chǎn)生明顯陡降的前一級(jí)水平荷載值;

取H－△Y0/△H關(guān)系曲線上第二拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水平荷載值。

3 試驗(yàn)結(jié)果的綜合對(duì)比分析

3．1 不同樁徑單樁水平承載力的對(duì)比分析

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)提供的單樁水平承載力特征值計(jì)算公式可見，樁的水平承載力與樁的水平變形系數(shù)α、樁身混凝土抗拉強(qiáng)度ft和彈性模量Ec、樁身換算截面受拉邊緣的截面模量W0和換算截面慣性矩I0、樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m等參數(shù)有關(guān)，而歸根到底，這些參數(shù)都與樁的截面(樁徑)大小有關(guān)。因此，在地質(zhì)條件相同、樁長(zhǎng)和樁身鋼筋混凝土強(qiáng)度相等的條件下，樁的水平承載力主要取決于樁的截面形狀和截面積。從表2試樁結(jié)果可以看出，對(duì)于相同樁長(zhǎng)的鋼筋混凝土預(yù)制方樁，其單樁水平承載力隨樁徑的增大而增加，當(dāng)樁徑增大28.6%時(shí)，其水平臨界荷載平均提高25.0%，水平極限荷載平均提高21.7%，顯然不是同比例增加。

表2 不同樁徑單樁水平承載力對(duì)比表

3．2 不同樁長(zhǎng)單樁水平承載力的對(duì)比分析

由《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)提供的單樁水平承載力特征值計(jì)算公式可見，在公式中所用到的樁頂(身)最大彎矩系數(shù)νM和樁頂水平位移系數(shù)νX都與樁的入土長(zhǎng)度有關(guān)。從表3試驗(yàn)結(jié)果不難看出，對(duì)于相同樁徑(橫截面積)的鋼筋混凝土預(yù)制方樁，其單樁水平承載力隨樁長(zhǎng)的增加而逐漸增加，當(dāng)樁長(zhǎng)分別從19.5 m增長(zhǎng)到24.0 m(增長(zhǎng)率23.1%)和從24.0 m增長(zhǎng)到30.0 m(增長(zhǎng)率25.0%)時(shí)，其水平臨界荷載平均值分別提高10.0%和9.1%，水平極限荷載平均值分別提高10.7%和6.5%。由于場(chǎng)地內(nèi)淺部土體軟弱，對(duì)樁基水平承載力的發(fā)揮起關(guān)鍵性作用，可見樁長(zhǎng)增加對(duì)水平承載力的提高程度十分有限，同時(shí)也反映了單樁水平承載力與樁長(zhǎng)不是呈線性增加，而是呈冪函數(shù)增加關(guān)系。其中水平臨界荷載Hcr和樁長(zhǎng)L的關(guān)系式為Hcr=11.42L0.42，相關(guān)性系數(shù)r=0.999;水平極限荷載 Hu和樁長(zhǎng) L的關(guān)系式為 Hu=18.25L0.38，相關(guān)性系數(shù)r=0.988;2個(gè)公式的相關(guān)性均較好。

表3 不同樁長(zhǎng)單樁水平承載力對(duì)比表

3．3 單樁水平承載力與樁頂豎向荷載的關(guān)系

上述表2、表3試樁都是在樁頂無約束(自由)的情況下進(jìn)行的，而實(shí)際上幾乎所有的工程樁都是有基礎(chǔ)承臺(tái)的約束且樁頂是同時(shí)承受豎向荷載的。為了更加真實(shí)的反映工程樁的受力情況，我們?cè)跇俄斒┘硬煌呢Q向荷載的條件下進(jìn)行了水平靜載荷試驗(yàn)。表4試驗(yàn)成果表明，在樁徑相同、樁長(zhǎng)相近的條件下，樁的水平承載力隨著樁頂豎向壓力的增加而增大，而且當(dāng)施加的豎向荷載為單樁設(shè)計(jì)承載力的50%左右時(shí)，水平承載力增長(zhǎng)尤其明顯，然后隨著樁頂豎向壓力的繼續(xù)增加而增大，但效果逐漸減弱，也呈現(xiàn)出了冪函數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系。通過數(shù)理回歸統(tǒng)計(jì)，樁的水平承載力與樁頂豎向荷載具有下列關(guān)系。

表4 樁頂施加不同豎向荷載下單樁水平承載力對(duì)比表

水平臨界荷載Hcr與樁頂豎向荷載P的關(guān)系式:

Hcr=Hcr0+5.19P0.30，相關(guān)性系數(shù)r=0.998

水平極限荷載Hu和樁頂豎向荷載P的關(guān)系式:

Hu=Hu0+2.76P0.5，相關(guān)性系數(shù)r=0.974

式中:Hcr0、Hu0——分別為樁頂豎向荷載為0時(shí)的水平臨界荷載和水平極限荷載。

由相關(guān)系數(shù)可以看出，2個(gè)公式的相關(guān)性均較好。

3．4 單樁與群樁水平承載力的對(duì)比分析

工程實(shí)踐表明，軟土地區(qū)高層建筑、石油化工裝置、市政橋梁、港口碼頭等建(構(gòu))筑物一般采用群樁基礎(chǔ)形式，而且樁基礎(chǔ)在承受豎向荷載的同時(shí)，還承受水平荷載。群樁承臺(tái)基礎(chǔ)在豎向和水平荷載的聯(lián)合作用下，群樁的樁與樁和承臺(tái)之間會(huì)相互影響，其水平承載力有別于單樁，故設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)群樁的水平承載力進(jìn)行分析和驗(yàn)算。

為了取得較為準(zhǔn)確的水平承載力參數(shù)，本文在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。

本次試驗(yàn)群樁為三樁承臺(tái)，呈正三角形布置，樁的中心距為1.80 m，樁頂嵌入承臺(tái)長(zhǎng)度為10 cm，為等邊三樁承臺(tái)，承臺(tái)高度1.10 m，承臺(tái)頂面標(biāo)高與單樁試驗(yàn)樁頂標(biāo)高相同，樁底標(biāo)高亦相同。為了便于對(duì)比，在承臺(tái)中心點(diǎn)所施加的豎向荷載為3000 kN，相當(dāng)于每根試樁所分擔(dān)的平均豎向荷載為1000 kN。表5試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的豎向荷載作用下，3根單樁水平靜載荷試驗(yàn)所取得的水平承載力之和，明顯小于帶承臺(tái)的群樁水平承載力，可見承臺(tái)的作用不可忽視。樁頂在承臺(tái)的約束作用下，其臨界水平荷載平均可提高22.7%，極限水平荷載平均可提高32.8%。經(jīng)過分析，認(rèn)為主要原因有2個(gè):一是由于群樁承臺(tái)的嵌固，使樁頂受到固接約束作用，這種約束連接既能減少樁頂水平位移，又能降低樁頂約束彎矩，從而提高樁頂約束效應(yīng)系數(shù);二是由于樁基發(fā)生水平位移時(shí)，面向位移方向的承臺(tái)側(cè)面將受到土的彈性抗力，即水平承載力;至于樁的相互影響和承臺(tái)底的摩阻效應(yīng)，根據(jù)場(chǎng)地工程地質(zhì)條件及以往試驗(yàn)成果分析，估計(jì)很少，可忽略不計(jì)。

表5 樁頂施加豎向荷載下單樁與群樁水平試驗(yàn)成果對(duì)比表

4 結(jié)論

本文通過一系列的樁基水平靜載荷試驗(yàn)，研究并分析了樁徑、樁長(zhǎng)、樁頂自由和樁頂在不同豎向荷載作用下的水平承載力，從而得到了影響樁基水平承載力的因素，除了樁體彈性模量、土體彈性模量、土體泊松比、土體粘聚力和內(nèi)摩擦角等客觀因素外，還與樁徑、樁長(zhǎng)、樁頂豎向荷載的大小密切相關(guān)，主要結(jié)論如下:

(1)在樁頂自由條件下，單樁水平承載力隨著樁徑和樁長(zhǎng)的增加而增大，但并非是線性增長(zhǎng)，而是呈冪函數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系;

(2)單樁水平承載力隨著樁頂豎向荷載的增加而增大，而且同樣也呈現(xiàn)了冪函數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系;

(3)在樁頂承受大致相同的豎向荷載作用下，樁頂嵌入基礎(chǔ)承臺(tái)的群樁水平承載力大于單樁水平承載力之和。

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